最近，《三體》又成了熱門話題。作爲一位天文學家，我當然不會放過這樣的科普好機會。實際上，我對行星系統的穩定性一直充滿好奇。
17 世紀初，開普勒陸續發表了他的三大定律，揭示了天體運行的軌道規律。但當系統中存在多個天體時，動力學可能會變得不穩定，導緻某些物體被随機抛射出去。這也就是《三體》故事的天文學基礎。
在剛接觸天文學時的某一天，我突發奇想：類似的随機抛射會不會發生在人類所在的這個太陽系當中呢。再說得清楚一些，會不會咱們的太陽系，在最初的時候遠不止有 " 八大行星 "，而是有更多的行星，隻不過其中一顆或者一些早期行星已經被随機抛射出去了？
太陽系的行星和矮行星。圖中僅大小按比例繪制，距離不依比例丨 Wikipedia
這個問題一直萦繞在我的腦海裏，并成爲我天文學研究的一個方向。
爲什麽要先找孿生雙星？
爲了解開這個謎團，我們進行了一項大規模的光譜調查，深入研究了附近的恒星。我們特别關注了 91 對同時形成且性質相同的孿生雙星。
這與社會學中研究孿生兄弟 / 姐妹的方法具有一定的相似性。在化學成分方面，一對孿生兄弟 / 姐妹其所含元素及比例大體上差不多。如果這兩個 " 兄弟 / 姐妹 " 之間存在任何差異，那麽這些變化肯定是由 " 後天因素 " 引起的。
舉例來說，地球上的鐵元素占比比太陽更高，而太陽的氫、氦等元素占比要比地球更高。因此，如果假設地球掉進太陽，太陽中某些元素的比例就會發生變化——如果太陽有一個孿生兄弟 / 姐妹，那麽這個時候太陽跟它就出現了化學成分方面的差異。
恒星吞噬行星并不罕見
最初，我們也是帶着探索的态度：如果能找到一對有差異的孿生兄弟，就已經是一個巨大的成功。但沒想到，我們找到了不止一對，而是竟有十多對。
當然，恒星之間的差異并不一定是因爲吞噬了它們的行星。我們也考慮了恒星大氣中元素沉澱機制的差異。爲了驗證我們的假設，我們進行了詳細的建模和排查。
主要的就是上面所說的，相對于太陽，地球的重元素對可揮發元素的比例較高。我們發現，在那些存在差異的孿生兄弟 / 姐妹中，至少有七組，其元素差異是可以對應上 " 地球掉入太陽裏 " 這樣的情況的。
福爾摩斯曾說，當所有最可能的情況都被排除後，剩下的，哪怕是概率不高的，也必然是真理。對偵探來說是這樣，對天文學家來說當然也是。
所以，我們的結論是，在每十二對恒星中，至少有一個恒星曾經吞噬了環繞它的行星物質。這項研究最近發表在《自然》雜志的封面上。
有趣的是，這個現象看起來有點像是劉慈欣在另一部作品《吞食者》中描述的情況，或者西班牙畫家戈雅晚年 " 黑色繪畫 " 中的名作《農神吞噬其子》。
西班牙畫家弗朗西斯科 · 戈雅（Francisco Jos é de Goya y Lucientes）畫作《農神吞噬其子》丨 Wikipedia
我們的研究結果表明，如《三體》裏的情況，許多行星系統都存在一定程度的不穩定性。與書中描述不一樣的是，即使沒有臨近伴星，這樣的不穩定性依然存在。
近年來，一些研究行星動力學理論的學者也指出，尤其是那些存在大質量 " 超級地球 " 的系統本身就是不穩定的。恒星和大質量行星的引力擾動可能足以引發不穩定性。就有點像……如果一個家裏孩子衆多，那多半家裏整天都是亂糟糟的。
現實中恒星吞噬行星的概率更高
盡管有一些理論的支持，但如此高的吞噬概率确實出乎我們的預料。這意味着行星系統的不穩定性可能比我們之前認爲的更加普遍。我們能觀測到的信号很可能隻是冰山一角。
恒星吞噬行星示意圖丨 Handout/NSF's NOIRLab/AFP
首先，被抛射的行星并不一定會掉進宿主星。實際上，行星被抛射的方向可能是向内或向外的。如果是向内，它們可能會被恒星吞噬。但更有可能的是，這些行星會被抛射到恒星系統外，成爲 " 流浪行星 "，在宇宙中漂流。
此外，即使行星被吞噬，由于恒星大氣的對流作用，這種痕迹經過一段時間也可能消失。這個過程就像将牛奶倒入咖啡中，它會在咖啡表面形成獨特的紋理，但這些紋理會随時間變化并最終消散。
我們就是通過這樣的觀察發現了那十二分之一的 " 吞噬者 "。不過，牛奶的紋路會逐漸擴散，直到完全消失——我們最終看到的是一杯均勻的拿鐵。恒星上的紋路也是如此，因此，很久早前發生的吞噬事件我們是無法觀察到的。
也就是說，盡管在我們的樣本中觀察到的概率是十二分之一，但實際的概率可能要高得多。其餘的恒星系統可能也存在不穩定現象，或者被抛射的行星隻是成了 " 流浪地球 "，或者吞噬的痕迹随着時間被磨平。
盡管我們的發現很有趣，但正如所有科學發現一樣，它提出的問題比結論本身更重要。
可能的解釋是，行星被抛射的頻率非常高，所以在任何時間點，都會有一些恒星表現出 " 拿鐵拉花 " 現象；或者恒星的對流過程非常緩慢，使得吞噬行星的痕迹能夠長時間保留。然而，鑒于我們對多體系統動力學和恒星的熱對流過程理解還不完整，這些問題還需要進一步的研究來解答。
我希望我們的研究能夠激勵更多人投入到行星系統及其與恒星關系的研究中，揭開這些謎題的面紗。
也許，我們工作的一個更重要的啓示是——地球上生命的繁榮依賴于一種微妙的平衡，而我們所在的宇宙家園可能比我們想象的要更加脆弱。作爲一名天文學家，我将繼續探索宇宙的奧秘，尋找更多關于我們所處位置的線索。同時，我也希望我們的研究能夠引發更多人對行星系統穩定性的思考，提高我們對宇宙家園的認識和珍惜。隻有這樣，我們才能更好地守護這片生命賴以生存的樂土，讓地球上的文明繼續繁榮發展下去。
策劃制作
作者丨丁源森 澳大利亞國立大學天文與計算機系副教授
審核丨韓文标 中國科學院上海天文台研究員
策劃丨徐來
責編丨徐來、何通
審校丨林林
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